均一系貴金属触媒の一般的な反応タイプ

はじめに

触媒とは、それ自身の性質を変えることなく化学反応を促進する物質である。触媒は一般に、反応物と同相に存在する均一系触媒と、反応混合物には存在しない不均一系触媒の2種類に分けられる。

白金、パラジウム、ロジウム、金などの貴金属は、触媒活性、選択性、安定性が高いため、均一系触媒としてよく使用される。また、熱安定性や化学的不活性にも優れており、卓越した触媒として知られている。このような特徴を持つ均一系貴金属触媒は、医薬、石油化学、化学、材料科学など幅広い用途に使用されている。

この記事では、均一系貴金属触媒の一般的な反応タイプについてお話します。この貴重な触媒について、さらに理解を深めていただければ幸いである。

図1.貴金属触媒

均一系貴金属触媒の一般的な反応タイプ

均一系貴金属触媒は様々な反応に利用される。代表的な例としては、水素化反応、ヒドロホルミル化反応、カップリング反応などが挙げられる。

--水素化反応

水素添加は、不飽和有機化合物に水素を添加する反応であり、通常は触媒の助けを借りる。白金やパラジウムなどの均一系触媒は、アルケンをアルカンに、ニトロ化合物をアミンに変換する水素化反応に広く使用されている。

図2.効率的な水素貯蔵のための金属触媒による水素化および脱水素化反応 [1］

--脱水素化：

脱水素は水素化の逆で、分子から水素を除去する。アルカンからアルケンを、アルコールからカルボニル化合物を作る脱水素反応には、白金やロジウムなどの貴金属触媒が用いられる。

--酸化：

酸化反応では分子が電子を失うが、均一系貴金属触媒はアルコールをアルデヒドやケトンに、アルケンをエポキシドに変換するのに使われる。これらの酸化反応の中でも「ヘキスト・ワッカー」プロセスは最も有名なもので、塩化物を含む水溶液中でPd/Cu触媒を用いてエテンと酸素からアセトアルデヒドを合成する。

図3.基本的な酸化と還元 [2］

--還元：

還元は酸化の逆で、分子が電子を獲得する。これらの均一系触媒は一般に、ニトロ化合物をアミンに、カルボニル化合物をアルコールに変換する還元反応に利用される。

--カップリング：

カップリング反応では、2つ以上の分子が結合して、より大きな分子を形成する。パラジウムや白金などの触媒は、鈴木反応やヘック反応のように、炭素-炭素結合を形成するカップリング反応に応用される。

--カルボニル化：

カルボニル化：一酸化炭素（CO）を用いてアルデヒドやケトンなどを生成する反応を指す。最もよく知られているのは、メタノールの酢酸へのカルボニル化反応である。モンサント・プロセスとも呼ばれる。これらのプロセスはすべて、ロジウム触媒なしでは達成できない。

図4.ロジウム触媒によるメタノールのカルボニル化反応（Monsantoプロセス）の触媒サイクル案[3]。

--ヒドロホルミル化：

ヒドロホルミル化は、オキソ合成としても知られている。このプロセスは、一酸化炭素（CO）と水素（H2）の混合物でアルケンをアルデヒドに変換する。このようなプロセスでは、かつてのコバルト触媒に代わってロジウム触媒が使用されるようになった。

--異性化：

異性化とは、分子が構造転位を起こす反応である。白金とロジウムは、アルカンを分岐アルカンに、アルケンを異性体に変換する異性化反応に使われる典型的な均一系触媒である。

貴金属均一系触媒の反応タイプ別の比較については、以下の表を参照されたい。

表1.均一系貴金属触媒の異なる反応タイプ

結論

均一系貴金属触媒は、水素化、脱水素、酸化、還元、カップリング、カルボニル化、ヒドロホルミル化、異性化など、さまざまな化学反応に広く用いられている。その高い触媒活性、選択性、安定性は、製薬、石油化学、ファインケミカル産業の化学者にとってかけがえのないツールとなっている。均一系貴金属触媒の一般的な反応タイプを理解することで、科学者はより効率的で持続可能な化学プロセスを開発することができる。

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参考文献

[1] 新林拓也・藤田健一.(2020).効率的な水素貯蔵のための金属触媒による水素化および脱水素化反応.Tetrahedron.76.130946.10.1016/j.tet.2020.130946.

[2] Azman, Nur & Ramli, Muhammad & Isa, Siti.(2019).A Review of hybridization of carbon nanotube into graphene for gas sensor application.IOP Conference Series：Materials Science and Engineering.551.012017.10.1088/1757-899X/551/1/012017.

[3] Budiman, Anatta & Nam, Ji & Park, Jae & Mukti, Ryan & Chang, Tae & Bae, Jong Wook & Choi, Myoung. (2016).Review of Acetic Acid Synthesis from Various Feedstocks Through Different Catalytic Processes.Catalysis Surveys from Asia.20.10.1007/s10563-016-9215-9.